Tabla de Contenidos
Ο νόμος του ιδανικού αερίου περιγράφει τη συμπεριφορά των περισσότερων πραγματικών αερίων κάτω από ορισμένες πειραματικές συνθήκες, όπως χαμηλή πίεση και υψηλή θερμοκρασία. Υπό αυτές τις συνθήκες, τόσο το μέγεθος των σωματιδίων που αποτελούν το αέριο όσο και οι αλληλεπιδράσεις έλξης και απώθησης μεταξύ τους είναι αμελητέα, γι’ αυτό τα αέρια συμπεριφέρονται σαν να ήταν σημειακά σωματίδια που κινούνται και συμπεριφέρονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο.
Η εξίσωση που αντιπροσωπεύει τον νόμο του ιδανικού αερίου είναι:
όπου P είναι η απόλυτη πίεση, συνήθως σε ατμόσφαιρες, V είναι ο όγκος, συνήθως σε λίτρα, n είναι ο αριθμός γραμμομορίων, R είναι η ιδανική σταθερά αερίου (ονομάζεται επίσης καθολική σταθερά αερίου) και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin .
Είναι μια εξίσωση κατάστασης, αφού σχετίζεται μεταξύ τους όλες τις μεταβλητές που απαιτούνται για να οριστεί πλήρως η κατάσταση ενός ιδανικού αερίου. Όντας μια τόσο απλή εξίσωση κατάστασης, αλλά με τόσο ευρεία εφαρμογή, ο νόμος των ιδανικών αερίων είναι ένας από τους πιο σημαντικούς νόμους με τους οποίους πρέπει να μάθουν να δουλεύουν οι μαθητές της βασικής χημείας.
Σε αυτό το άρθρο, τίθεται ένα σύνολο 15 ερωτήσεων τύπου εξέτασης σχετικά με τις θεμελιώδεις πτυχές του νόμου του ιδανικού αερίου. Αλλά πρώτα, ας δούμε μερικά σημαντικά δεδομένα που θα βοηθήσουν στην επίλυση αυτών και άλλων προβλημάτων ιδανικού αερίου.
Γενικές πληροφορίες για τον νόμο του ιδανικού αερίου
Τιμή της σταθεράς ιδανικού αερίου
Η ιδανική σταθερά αερίου R είναι μια καθολική σταθερά. ωστόσο η αριθμητική του τιμή ποικίλλει ανάλογα με τις μονάδες στις οποίες εκφράζεται. Για το λόγο αυτό, είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε ποια τιμή της σταθεράς αερίου πρέπει να χρησιμοποιείται όταν χρησιμοποιείται ο νόμος του ιδανικού αερίου για τον υπολογισμό οποιασδήποτε από τις τέσσερις μεταβλητές που σχετίζεται αυτός ο νόμος.
Οι μονάδες της σταθεράς είναι:
Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει ορισμένες τιμές αυτής της σταθεράς ανάλογα με τις μονάδες που χρησιμοποιούνται:
| σταθερά αερίου | μονάδες |
| 0,08206 | atm.LK -1 .mol -1 |
| 8.314 | JK -1 .mol -1 |
| 1987 | cal.K -1 .mol -1 |
Τυπικές και κανονικές συνθήκες
Είναι πολύ συνηθισμένο σε προβλήματα και ερωτήσεις σχετικά με τον νόμο του ιδανικού αερίου να βρίσκουμε αναφορές σε τυποποιημένες ή συμβατικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ερωτήσεις δεν υποδεικνύουν άμεσα τη θερμοκρασία και την πίεση στην οποία βρίσκεται ένα αέριο, αλλά αναφέρονται σε συνθήκες όπως κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης ή τυπική πίεση και θερμοκρασία κ.λπ.
Σε περιπτώσεις όπως αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω, είναι σημαντικό να γνωρίζετε ακριβώς ποιες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας αναφέρονται στις συνθήκες που αναφέρονται στην ερώτηση. Από την άλλη πλευρά, είναι επίσης χρήσιμο να γνωρίζουμε τον μοριακό όγκο ενός ιδανικού αερίου σε καθεμία από αυτές τις συνθήκες, καθώς αυτές οι τιμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διενέργεια πολύ γρήγορων υπολογισμών σχετικά με την κατάσταση των αερίων.
Το πρόβλημα με τα παραπάνω είναι ότι δεν υπάρχει ενιαία σύμβαση για το τι σημαίνει η τυπική κατάσταση ή η κανονική κατάσταση ενός αερίου. Από την άλλη πλευρά, τα ονόματα αυτών των κρατών μοιάζουν συχνά μεταξύ τους, γεγονός που καθιστά ακόμη πιο δύσκολη τη διάκριση του ενός από το άλλο. Για το λόγο αυτό, παρακάτω ορίζουμε μερικές από τις πιο κοινές πρότυπες καταστάσεις που χρησιμοποιούνται στη χημεία.
Ιδανικό αέριο σε τυπική κατάσταση ή τυπική θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος (SATP)
Αυτή είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες πρότυπες καταστάσεις στη χημεία, παρόλο που είναι ένας ορισμός που η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC) δεν συνιστά. Γενικά, όταν μιλάμε για οποιαδήποτε ουσία στην τυπική της κατάσταση, αναφερόμαστε σε θερμοκρασία 25,00 °C και πίεση 1 atm (101,325 Pa ή 1,01325 bar) . Υπό αυτές τις συνθήκες, 1 mole ιδανικού αερίου καταλαμβάνει όγκο 24,47 L.
Τυπική θερμοκρασία και πίεση NIST (STP-NIST)
Οι τυπικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών (NIST, για το ακρωνύμιο του στα αγγλικά) αντιστοιχούν σε 0 °C (273,15 K) και 1 atm (101,325 Pa ή 1,01325 bar) . Υπό αυτές τις συνθήκες, 1 mole ιδανικού αερίου καταλαμβάνει 22,41 L.
Τυπική θερμοκρασία και πίεση IUPAC (STP-IUPAC)
Το IUPAC χρησιμοποιούσε τις ίδιες συνθήκες που συνιστώνται από το NIST με την τυπική θερμοκρασία και πίεση. Ωστόσο, σήμερα έχουν αντικαταστήσει την πίεση του 1 atm με 1 bar, που ισοδυναμεί ακριβώς με 10 5 Pa, και συνιστούν τη μετατροπή όλων των πιέσεων αναφοράς σε πολλαπλάσια της bar (που αντιπροσωπεύουν ένα ακριβές πολλαπλάσιο του pascal). Υπό αυτές τις συνθήκες, 1 mole ιδανικού αερίου καταλαμβάνει 22,71 L.
Κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης (CNTP)
Οι κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης χρησιμοποιούνται συχνά από τους μηχανικούς ως συνθήκες για τη δοκιμή ορισμένων τύπων ανεμιστήρων. Αυτές οι συνθήκες αντιστοιχούν σε θερμοκρασία 20 °C (293,15 K) και πίεση 1 atm , δίνοντας όγκο ενός mole ιδανικού αερίου 24,05 L.
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει αυτά τα σημαντικά δεδομένα που πρέπει να χειρίζονται εύκολα οι φοιτητές της χημείας όταν λύνουν μια εξέταση σχετικά με τον νόμο των ιδανικών αερίων.
| Συνθήκες | Θερμοκρασία | Πίεση | Όγκος 1 mole ιδανικού αερίου |
| SATP | 25°C | 1 atm (101.325 Pa) | 24,47 λίτρα |
| STP-NIST | 0°C | 1 atm (101.325 Pa) | 22,41 λίτρα |
| STP-IUPAC | 0°C | 1 bar (100.000 Pa) | 22,71 λίτρα |
| CNTP | 20°C | 1 atm (101.325 Pa) | 24,06 λίτρα |
ερωτήσεις για τις εξετάσεις για το ιδανικό φυσικό αέριο
ερώτηση 1
Προσδιορίστε τον όγκο 2,50 mol ενός ιδανικού αερίου που βρίσκεται υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης.
Ερώτηση 2
Ποιο αέριο θα έχει μεγαλύτερη πυκνότητα, δείγμα 500 λίτρων υδρατμών στους 150°C και πίεση 3 atm ή 250 λίτρα διοξειδίου του άνθρακα στους 50°C και πίεση 1 atm;
Ερώτηση #3
Μεταξύ διοξειδίου του άνθρακα και υδρατμών, ποιο από τα δύο αέρια θα περιμένατε να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν ιδανικό αέριο κάτω από τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, και γιατί;
Ερώτηση #4
Υπολογίστε τον τελικό όγκο μιας φυσαλίδας αέρα που ξεκινά με όγκο 50 cm 3 στους 0°C και πίεση 10 atm και τελειώνει σε 1 atm και 25°C, υποθέτοντας ότι η μάζα του αέρα μέσα στη φυσαλίδα παραμένει η ίδια.
Ερώτηση #5
Τι θα συμβεί με την πίεση ενός αερίου εάν ο όγκος του διπλασιαστεί και η απόλυτη θερμοκρασία του διπλασιαστεί ταυτόχρονα;
Ερώτηση #6
Προσδιορίστε την πυκνότητα σε g/L ενός δείγματος ξηρού αέρα που περιέχει 78% κατ’ όγκο αέριο άζωτο και 22% αέριο οξυγόνο σε τυπικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης περιβάλλοντος.
Ερώτηση #7
Έχετε ένα δείγμα αερίου ηλίου σε 15,0 ατμόσφαιρες και 25,0 °C. Να υπολογίσετε την πυκνότητά του σε g/L.
Ερώτηση #8
Υπολογίστε τον όγκο ενός δείγματος 42,0 g αερίου αζώτου στους 180°C και πίεση 380 mmHg.
Ερώτηση #9
Πόσα άτομα ξένου θα υπάρχουν σε ένα δείγμα αυτού του αερίου που περιέχεται σε δοχείο 500 mL, στους 25 K και σε πίεση 10 -3 Torr;
Ερώτηση #10
Υπολογίστε την πίεση σε πασκάλ που θα ασκηθεί από 28,0 g αερίου αζώτου που περιέχεται σε δοχείο 22,41 L στους 0°C.
Ερώτηση #11
Ποια θα είναι η μοριακή μάζα ενός αερίου του οποίου η πυκνότητα υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης είναι 1,83 g/L;
Ερώτηση #12
0,3241 g άγνωστου αερίου σε πίεση 0,500 atm και θερμοκρασία 200 K καταλαμβάνουν όγκο 380 mL. Προσδιορίστε τη μοριακή μάζα του αερίου.
Ερώτηση #13
Σε ποια θερμοκρασία βρίσκεται 0,125 g μονοξειδίου του άνθρακα που ασκεί πίεση 26,6 mmHg σε δοχείο 2,00 L;
Ερώτηση #14
Υπάρχει μια φιάλη 0,500 L που συνδέεται με μια φιάλη 2,00 L μέσω ενός γυάλινου σωλήνα εφοδιασμένου με κλειστή στρόφιγγα. Το πρώτο μπαλόνι περιέχει άζωτο σε πίεση 3,00 atm και θερμοκρασία 250 Κ και το δεύτερο περιέχει 2 mol του ίδιου αερίου στην ίδια θερμοκρασία. Υπολογίστε την τελική πίεση του συστήματος μετά το άνοιγμα της στρόφιγγας και την επίτευξη ισορροπίας.
Ερώτηση #15
Ένα αέριο αρχικά σε 500 K και πίεση 2,00 atm θερμαίνεται στους 1.000 K και ο αρχικός του όγκος μειώνεται στο μισό. Υπολογίστε την τελική πίεση του, γνωρίζοντας ότι η μάζα του αερίου που περιέχεται στο δοχείο δεν αλλάζει.
Αποτελέσματα των προβλημάτων
| Παρακαλώ | Απάντηση |
| 1 | 60,1 λίτρα |
| 2 | Διοξείδιο του άνθρακα |
| 3 | Το διοξείδιο του άνθρακα δεδομένου ότι είναι ένα πολικό μόριο που παρουσιάζει ασθενέστερες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις από αυτές που συμβαίνουν μεταξύ των μορίων του νερού. |
| 4 | 546 cm3 |
| 5 | Η πίεσή σου παραμένει ίδια. |
| 6 | 0,368 g/L |
| 7 | 2,45 g/L |
| 8 | 112 λίτρα |
| 9 | 1,93,10 17 άτομα Xe |
| 10 | 1.03.10 5Pa _ |
| έντεκα | 44,02 g/mol |
| 12 | 28,0 g/mol |
| 13 | 191 Χιλ |
| 14 | 17,0 atm |
| δεκαπέντε | 8.00 atm |
βιβλιογραφικές αναφορές
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Χημεία (10η έκδ .). Εκπαίδευση McGraw-Hill.
Μηχανική Εργαλειοθήκη. (ν). STP – Τυπική θερμοκρασία και πίεση και NTP – Κανονική θερμοκρασία και πίεση . Ο ιστότοπος Engineering Toolbox. https://www.engineeringtoolbox.com/stp-standard-ntp-normal-air-d_772.html
η φυσικη (ν). Νόμος για το Ιδανικό Αέριο . Φυσική.χ. https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/ley-de-los-gases-ideales/
Ενσωματωμένα Παραδείγματα Διαδραστικής Μάθησης. (2020, 24 Οκτωβρίου). Το ΥπερΓλωσσάρι MSDS: Standard Temperature and Pressure (STP) . Ιστοσελίδα ΗΛΠΗ. http://www.ilpi.com/msds/ref/stp.html
IUPAC. (2019). IUPAC – τυπικές συνθήκες για αέρια (S05910) . Χρυσό βιβλίο IUPAC. https://goldbook.iupac.org/terms/view/S05910
Jara M., M. (nd). Νόμοι για το Ιδανικό Αέριο . Εκπαιδευτικό Δίκτυο Santo Tomás de Aquino. http://www.secst.cl/colegio-online/docs/05112020_402am_5fa3dbd8b44cf.pdf
Ποντιφικό Καθολικό Πανεπιστήμιο της Χιλής. (ν). ατμόσφαιρα . uc.cl. http://www7.uc.cl/sw_educ/contam/atm/atm06.htm
